金刚石NV色心系综制备与表征技术研究

发布时间：2020-09-12 19:47

　　金刚石中NV色心是由金刚石中替位氮原子(N)和邻近的碳空位(V)组成的缺陷结构。其中NV~-在室温下稳定性好,电子自旋相干时间长,能被激光和微波操控,被认为是量子传感领域最具有潜力的结构。广泛应用于微弱磁场、电场、应力以及温度、压强、自旋等物理量的精密测量。块材金刚石中NV色心的浓度、均匀度以及分布是影响NV色心光学读出的重要参数。利用光谱检测的方法精确地测算出Ib型金刚石中NV色心微区的浓度,进一步计算出NV色心的均匀度以及分布规律。本文主要研究内容:1、通过对含氮量为100ppm的Ib型HTHP金刚石的100晶面进行不同剂量的电子辐照并进行高温退火,分别得到含有不同浓度NV色心的样品。并利用红外光谱检测样品内部结构的变化。利用拉曼光谱分析测算出不同辐照剂量后样品中NV色心的浓度。2、因为NV色心在块材金刚石不同位置的浓度并不相同,本研究提出一种利用显微光致发光光谱技术精确测量NV色心在样品中的分布、浓度、以及均匀度的方法。将4个块材金刚石的100面分割成256个100um?100um的微区域,分别读取了每一个微区域的光致发光光谱,分析其显微光致发光光谱中特征峰以及声子边带的代表意义,通过光谱的峰位可以判断NV色心在块材金刚石中的电荷状态。对光谱上NV色心零声子线附近的光谱进行积分可以计算出该点处对应NV色心的浓度。3、通过对比每一个点阵的光谱数据分析了NV色心在金刚石中的分布规律并进一步计算出NV色心在整个100面分布的均匀度。结果表明NV色心在金刚石内并非均匀分布,电子辐照3h的样品的各微区浓度最高。电子辐照2h的样品均匀度最好。该研究精确地测量出NV~-色心在直径1.3um微区的荧光光谱特征以及平面的分布和均匀度,为制备定量和均匀分布的NV色心提供了依据,对集群NV~-色心在块材金刚石中的精确分布的表征提供了有效参考。
【学位单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O773
【部分图文】：

金刚石,样品,色心

一块没有被电子辐照过，作为对比基准，利用 NV 色心对 1332cm的红外有吸收作用，通过红外吸收光谱计算出样品中 NV 色心的浓度。本文通过显微拉曼光谱仪测量样品100 面 256 个直径为1.3um 微区中NV色心的光致发光光谱，计算出不同微区 NV 色心的浓度，并进行不同方向上 NV 色心分布对比进一步计算出 NV 色心在整个二维平面的分布特征和均匀度。1.2 金刚石的简介金刚石为单质矿物，化学成分是碳，实验室分析表明宝石金刚石 99.95%是碳原子，其余由多种杂质组成，主要杂质由 Si、Ca、N、B 等，杂质的存在使金刚石的颜色和透明度发生变化，影响其质量和价值。纯净的金刚石为无色透明自然界中由于杂质元素的渗入以及各种结构缺陷使其呈现不同颜色，如图 1.1 中图片所示，常见的有透明色、粉色、黄色、绿色还有很少见的黑色。

晶体结构,晶胞,学位论文,金刚石结构

中北大学学位论文中每个晶胞互相嵌套，晶胞的参数为较高是 34%，金刚石结构的每个结晶学的坐标如下表 1-1 所示[24]。表 1-1 金刚石中晶胞坐标（）（）（）（）（）（）（）（）414343434143434341414141212121212121000000

色心,金刚石,负电荷,电荷

的光谱性质的 NV 色心具有荧光稳定，发光强度高的性质，电子自旋可以通过光学方法极化和探测。心的几何结构是金刚石中的替位氮原子在一定条件下捕获相邻。作为金刚石晶体中重要的顺磁中心，是典型的于氮原子，其他三个来源于配对碳原子的电子，子。这个结构中的 N 原子、电子、碳原子之间的的自旋三重态。该结构中 NV 色心的对称轴 N-V 2.1 所示。在原子结构上，NV 色心的大小为 nm NV 色心提供真空的天然包裹，保护了 NV 色心

【参考文献】